執行申請灌溉調度決策支持系統研究與設計

韓小龍，丁文捷，李桐滿，陸 陽

（1.寧夏水利科學研究院，銀川 750021；2.寧夏大學，銀川 750021）

隨著節水灌溉技術的推廣應用，閘門操作越來越精細，灌溉管理工作越來越繁重。行水期，灌溉管理員晝夜往返于閘門口之間，工作十分辛苦，迫切需要便捷的灌溉管理系統。近年來，灌溉調度決策支持系統主要研究通過測量、人工采集（或反演）雨情、水情、工情、墑情、水文氣象和視頻等信息[1,2]，綜合灌溉預報[3,4]、農藝措施[5,6]、多水源分配[7]、地下水位[8]等條件，決策閘門或泵站啟閉[9]、測站、用水單元、渠系建設物、管理機構諸多輸水關聯信息[1]，達到最佳時間、最少灌水量、輸水安全、水閘運管服務[10]等目標，進而減少配水矛盾，發揮水資源最大效益[9]。灌溉調度決策支持系統的體系結構可以概括為數據庫、水文預報、水情分析、用水計劃、灌溉進度、用水總結、灌排評價等子系統[2]。其中水利部將灌區數據庫分為基礎數據庫和空間數據庫、專題數據庫、工程建設管理、節水灌溉項目、政策法規[11]等五類。水文預報研究有SHE、SWAT、數字流域[12]等預測模型。用水計劃子系統有基于作物需水量靜態配水計劃[13]，基于遙感的動態配水計劃[14]等。灌溉管理子系統包含有制定灌溉計劃、監督執行、運行評價、實時調整的動態運行管理[15]等。然而研究目標過于集中于“節水灌溉，減少輸水損失，縮短輸水時間，提高灌區經濟效益”等方面[3]，存在“管理模型和軟件過于復雜，片面追求理論最優解和算法的完美，可操作性差，通用化程度不高，用水利益沖突反映不足，用水決策協調不足”等問題，難以大面積推廣[1]。

調度決策支持來源于制造業，原意是指如何具體規劃、組織生產活動使各種資源得到充分合理的利用，并通過監控、反饋執行過程信息，調整組織過程計劃，使生產效益最大化[16]。本文在馬孝義研究的系統結構[2]和俞揚峰的系統功能[15]基礎上，概述了執行申請灌溉管理過程，自動生成并更新灌溉調度計劃的方法，設計了手機APP、閘門智能鎖、調度決策支持子系統功能，然后介紹如何應用這些子系統規劃水的時空分布，督促用水戶和管理員分工協作，最大化提升水的生產效率。

1 總體設計

系統整體采用計劃-執行-監測-更新計劃的過程。即：通過手機APP 收集需水信息，地理信息系統（GIS）展示需水的空間分布，流量圖計劃供水的時間分布，建立灌溉調度計劃；應用閘門智能鎖管理用水戶按計劃灌溉，同時監測并反饋水情信息；服務器根據監測和反饋的信息更新計劃，用更新的計劃指導或建議灌溉作業間平穩銜接(見圖1)。

圖1 執行申請灌溉管理概覽Fig.1 Overview Apply for irrigation

自動、迅速且靈活地建立灌溉調度計劃是執行申請灌溉的核心。為此，先將灌溉調度計劃轉化為矩形條帶裝箱問題（2DR-SPP）[17]，即將渠道流水簡化成流量-時間構成的矩形（寬表示流量，長表示用水時段，面積代表總水量，上下沿代表閘門操作），上游來水預測簡化成箱體，灌溉申請為矩形貨物。再依據自然結構和權屬將灌區離散化，分為灌溉單元、渠段單元和管理單元并組成“樹”形結構[4,18]。最后灌溉申請（Q-H矩形）沿灌區結構（二叉樹）從下至上匯總（2DR-SBP分層裝箱）[19]，初步建立灌溉計劃。圖2展示了灌區的自然結構抽象為灌區的邏輯結構，再映射為灌溉調度計劃的過程。

圖2 灌溉單元到灌溉調度計劃的二次映射Fig.2 Quadratic mapping from irrigation unit to scheduling

將灌區空間結構簡化成二叉樹邏輯結構后，有：

A={a∈樹節點|a是灌溉單元}；B={b∈樹節點|b是渠段單元}；C={c∈樹節點|c是管理單元}；流量X={x∈B|x＜設計流量}。

灌溉申請審批時：

灌溉申請Y={Q,H|y∈Y,Q是申請流量，H是申請時段}；

灌溉審批D={D∈C|[0,1]y= 0拒絕,y= 1批準}。

按灌區邏輯結構逐層分解配水計劃：

按灌區邏輯結構逐層匯總申請：

配水計劃與申請匯總之間的差反應了供需水矛盾。調度員用矩形條帶裝箱的方法分配水資源，同時指導并建議各個灌溉作業的流量、持續時間、作業間銜接關系，進而初始化灌溉調度計劃。

在執行過程中，系統依據灌溉調度計劃指導農戶灌溉，監測并交互執行過程中的信息，統計分析計劃和執行之間的偏差。每一組流量都有計劃、監測、交互3個記錄，記作計劃流量為Qs，監測流量為Qm，通過交互推斷流量為Qi，假設隨機數Qs、Qm、Qi與實際流量為Qt之間存在固定的概率分布，如：超聲波測流儀器剛經過率定維護后，計劃、監測、交互流量存在β分布，則：

流量最可能為：

方均差為：

灌區環境復雜，初始的灌溉調度計劃難以一一貫之。服務器循環執行（2DR-ODP 開維裝箱）程序[20]，依據監測分析結果更新計劃，指導或建議灌溉作業間順利過渡。

最后，統籌規劃灌溉調度計劃，促進灌區整體滿意。比如采用灌溉申請和實際灌溉之間的歐式距離表示用水戶滿意度，用全體用戶滿意度之和評價調度計劃。

設灌溉作業：

式中：Q表示水量；H表示開始時間。

用水戶滿意度：

總之，用水戶只需要按照APP 提示事前申請、提前到崗、按計劃執行即可，系統盡量按時按量的將水配送給所有的用水戶，最大化滿足生產需求。

2 子系統設計

2.1 執行申請灌溉APP設計

根據需求分析，執行申請灌溉管理APP 應至少包含三類用例，分別是灌溉申請審批、灌溉過程交互、灌溉結果通知，如圖3所示。

圖3 執行申請灌溉APP用例Fig.3 Apply for irrigation APP use cases

灌溉申請審批：用水戶通過APP 提出灌溉申請，管理員匯總申請水量并層層審批，調度員根據申請和年度配水計劃等確定輸水時間和水量，審批灌溉調度計劃。

灌溉過程交互：用水戶根據批準的灌溉調度計劃，在規定的時間內操作閘門達到批準的流量，自助管理閘門。灌溉過程中及時將流量、灌溉進度、預計結束時間等信息反饋給服務器，并接受服務器監督管理。

灌溉結果通知：本輪灌溉結束后，服務器將用水時段、用水總量，是否按計劃操作閘門等信息發送給用水戶，并收繳水費。

2.2 閘門智能鎖設計[21]

閘門智能鎖包括：鎖結構，單片機、閘門高度霍爾傳感器、鎖銷、鍵盤、通信模塊、超聲波流量儀等。結構如圖4所示。

圖4 閘門智能鎖結構Fig.4 Smart Sluice lock structure

閘門智能鎖主要功能包括按照計劃管理閘門開啟時間和開度，并將監測的水位、流速、流量等信息和用戶操作信息傳回服務器（見圖5）。設計簡潔、耐用適合農業生產管理。

圖5 閘門智能鎖活動圖Fig.5 Smart Sluice lock Activity diagram

2.3 灌溉調度決策支持系統設計

每級灌溉管理單元都需要為下級灌溉單元提供灌溉調度決策支持服務，所以系統整體采用B/S 結構，Supermap Object10i 搭建水利一張圖架構，SQLServer 作為數據庫（系統主界面如圖6所示），主要功能包括灌溉單元注冊、管理單元配置、配水計劃、灌溉計劃、進度跟蹤、流量統計分析等。

圖6 灌溉調度決策支持系統主界面Fig.6 Main interface of irrigation scheduling decision support system

灌溉單元注冊：在GIS底圖中將管理區域分為若干灌溉單元，與渠段建立樹形結構，注冊面積、土壤屬性、權屬等基本信息。

管理單元配置：將渠管理處、農村用水協會、閘門、泵站、蓄水池等抽象為灌溉管理單元[4,18]。每個管理單元都應配置管理制度、年度配水計劃、管理員/用水戶權責、節水灌溉計劃、運維管理計劃，協商協作方式、沖突解決辦法、水費糾紛調解方案等。

灌溉配水計劃：綜合灌溉申請審批、年度計劃、來水預測多方面信息[3-15]，結合本區域的輸水損失、灌溉管理制度、值班計劃等制定本輪灌溉調度計劃。

監督并指導灌溉作業：監測水情并指導農戶依計劃灌溉，收集灌溉進度信息，根據監測和交互的信息更新灌溉計劃，督促灌溉作業順利銜接。

流量統計分析：綜合灌溉計劃、水情監測、用水戶交互等信息，實現一數一源，多元核算[20]的流量統計分析功能。

3 系統應用

執行申請灌溉調度決策支持系統主要功能包括協助調度員制定灌溉調度計劃，根據計劃指導用水戶灌溉；應用閘門智能鎖管理灌溉過程，根據監測交互等信息動態更新調度計劃；對比計劃與實際灌溉進度；收集并適時分發消息，督促灌溉作業平穩交接；統計分析用水計量，提高用水戶滿意程度等。它是灌溉信息收集分發、轉換處理、存儲展示、計劃監督、統計分析的工具。只要用戶正確使用該系統，就能在便利農民生產生活的同時提出科學、精準、高效的輸配水建議。圖7是調度員、管理員、用水戶、以及閘門智能鎖、調度決策支持系統之間消息傳遞轉換，分工管理的協作圖。

圖7 執行申請灌溉系統協作圖Fig.7 Apply for irrigation collaboration diagram

綜上所述，在灌溉管理的過程中，利用通信技術將灌溉過程中的數據集中在服務器端，系統通過循環裝箱程序持續更新水的時空分布計劃，管理員通過崗位、角色、職責分工協作減少灌溉管理工作量，調度員通過系統與設備、人員之間交互協同灌溉進度，進而達到節水灌溉，提高灌溉管理工作效率等應用目標。

4 結果與結論

執行申請灌溉調度決策支持系統采用手機APP 申請審批用水需求操作簡單，易于擴展，用地理信息系統展示需水的時空分布，用矩形條帶裝箱反應供需水矛盾，將灌區自然結構抽象為樹形邏輯結構，采用二叉樹拓撲約束下的矩形條帶裝箱算法自動生成并動態更新灌溉調度計劃，采用閘門智能鎖管理灌溉過程，改善了系統的通用性、靈活性和易用性。再通過對比灌溉計劃與執行過程之間的差異，監督灌溉作業間平穩交接，促使理論計劃轉換實際行動。最后通過用戶滿意度評價，明渠測流統計分析方法，用水糾紛調節制度等，實現“以人為本，實時監測，多元核算，智能分析，動態預測，精準服務”的數字灌區的總目標[20]。

信息技術的飛速發展，萌生了針對精量化節水灌溉需求的執行申請灌溉管理，迅捷地建立灌溉調度計劃是調度決策支持的核心。雖然僅考慮了灌區空間結構的調度算法難以適應田間復雜的運行環境，相應的配套管理制度、協作機制、評價統計方法等也缺實際的檢驗，但是它擴展了數字化灌區研究和建設方向，在降低現代化灌區建設成本，提高水資源利用效率等方面有著良好的應用前景。隨著用水戶協作能力的提升，以及治水管水等服務水平的進步，必然會深入改變傳統的灌溉管理模式。